Bài 2. CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG MẠNG
2.4. CÁC LOẠI THIẾT BỊ MẠNG SỬ DỤNG TRONG MẠNG LAN
2.4.4. Bộ chuyển mạch (Switch)
2.4.4.1. Chức năng của bộ chuyển mạch switch.
Switch là một thiết bị chọn lựa đường dẫn để gửi frame đến đích, hoạt động ở Lớp 2 của mô hình OSI. Đôi khi Switch còn được gọi là Bridge đa port hay Hub chuyển mạch.
Switch quyết định chuyển frame dựa trên địa chỉ MAC, do đó nó được xếp vào thiết bị Lớp 2. Chính nhờ Switch có khả năng lựa chọn đường dẫn để quyết định chuyển frame nên mạng LAN có thể hoạt động hiệu quả hơn. Switch nhận biết máy nào kết nối với cổng của nó bằng cách học địa chỉ MAC nguồn trong frame mà nó nhận được. Khi hai máy thực hiện liên lạc với nhau, Switch chỉ thiết lập một mạch ảo giữa hai cổng tương ứng mà không làm ảnh hưởng đến lưu thông trên các cổng khác. Do đó, mạng LAN có hiệu suất hoạt động cao thường sử dụng chuyển mạch toàn bộ.
Switch tập trung các kết nối và quyết định chọn đường dẫn để truyền dữ liệu hiệu quả. Frame được chuyển mạch từ cổng nhận vào đến cổng phát ra. Mỗi cổng là một kết nối cung cấp chọn băng thông cho host.
Trong Ethernet Hub, tất cả các cổng kết nối vào một mạng chính, hay nói cách khác, tất cả các thiết bị kết nối Hub sẽ cùng chia sẻ băng thông mạng. Nếu có hai máy
44
trạm được thiết lập phiên kết nối thì chúng sẽ sử dụng một lượng băng thông đáng kể và hoạt động của các thiết bị còn lại kết nối vào Hub sẽ bị giảm xuống.
Để giải quyết tình trạng trên, Switch xử lý mỗi cổng là một đoạn mạng (segment) riêng biệt. Khi các máy ở các cổng khác nhau cần liên lạc với nhau, Switch sẽ chuyển frame từ cổng này sang cổng kia và đảm bảo cung cấp chọn băng thông cho mỗi phiên kết nối.
Để chuyển frame hiệu quả giữa các cổng, Switch lưu giữ một bảng địa chỉ. Khi Switch nhận vào một frame, nó sẽ ghi địa chỉ MAC của máy gửi tương ứng với cổng mà nó nhận frame đó vào.
Hình 4.1:Switch tập trung các kết nối Sau đây là các đặc điểm chính của Switch:
- Tách biệt giao thông trên từng đoạn mạng:
Ethernet Switch chia hệ thống mạng ra thành các đơn vị cực nhỏ gọi là microsegment. Các segment như vậy cho phép các người dùng trên nhiều segment khác nhau có thể gửi dữ liệu cùng một lúc mà không làm chậm các hoạt động của mạng.
Bằng cách chia nhỏ hệ thống mạng, sẽ làm giảm số lượng người dùng và thiết bị cùng chia sẻ một băng thông. Mỗi segment là một miền đụng độ riêng biệt. Switch giới hạn lưu lượng băng thông chỉ chuyển gói tin đến đúng cổng cần thiết dựa trên địa chỉ MAC Lớp 2.
45
- Tăng nhiều hơn lượng băng thông dành cho mỗi người dùng bằng cách tạo ra miền đụng độ nhỏ hơn.
Switch bảo đảm cung cấp băng thông nhiều hơn cho người dùng bằng cách tạo ra các miền đụng độ nhỏ hơn. Switch chia nhỏ mạng LAN thành nhiều đoạn mạng (segment) nhỏ. Mỗi segment này là một kết nối riêng giống như một làn đường riêng 100 Mbps. Mỗi server có thể đặt trên một kết nối 100 Mbps riêng. Trong các hệ thống mạng hiện nay, Fast Ethernet Switch được sử dụng làm đường trục chính cho mạng LAN, còn Ethernet Switch, Ehternet Hub hoặc Fast Ethernet Hub được sử dụng kết nối xuống các máy tính. Khi các ứng dụng mới như truyền thông đa phương tiện, video hội nghị… ngày càng trở nên phổ biến hơn thì mỗi máy tính sẽ được một kết nối 100 Mbps riêng vào Switch.
2.4.4.2. Kiến trúc của switch.
Trước nhu cầu ngày càng thay đổi đó, xu hướng về kiến trúc thiết bị cũng phải thay đổi. Các nhà sản xuất switch hàng đầu đã phát triển những kiến trúc switch mới sử dụng cổng 40G và 100G. Những dòng switch mới này đang được thiết kế với tính linh hoạt và mật độ cao hơn.
Kiến trúc 3 tầng truyền thống được thiết kế để hỗ trợ trung tâm dữ liệu trong nhiều năm trước không còn là giải pháp lý tưởng cho sự phát triển hệ thống mạng. Với các nhu cầu ngày càng cao về ảo hóa, điện toán đám mây, độ trễ thấp, Hiệp hội Công nghiệp Viễn thông (TIA) đã phát hành đặc tả bổ sung tiêu chuẩn ANSI/TIA-942-A-1 vào tháng 3/2013, mô tả các khuyến nghị về cáp viễn thông hỗ trợ các kiến trúc switch mới.
2.4.4.2.1. Kiến trúc 3 tầng truyền thống.
46
Trong kiến trúc 3 tầng, cáp MPO 12/24 sợi quang và dây nhảy LC thường được dùng để kết nối giữa switch core, switch aggregation và switch access. Kết nối từ switch access và server được thực hiện bằng cáp quang thông qua mô-đun SFP+ hoặc cáp đồng bằng dây nhảy RJ45. Các kết nối này phục vụ cho ứng dụng 10GbE.
Hình 4.2: Kiến trúc 3 tầng truyền thống.
2.4.4.2.2. Kiến trúc full mesh.
Với kiến trúc full-mesh, tất cả switch được đều được kết nối chéo với nhau. Vì các switch này thường không được sử dụng trong khu vực thiết bị (EDA) và mô hình top-of-rack (TOR), kiến trúc full-mesh chỉ ứng dụng trong các trung tâm dữ liệu nhỏ và trong mạng metropolitan.
47
Hình 4.3: Kiến trúc full mesh.
2.4.4.2
.3. Kiến trúc fat-tree.
Kiến trúc fat-tree, hay còn gọi là kiến trúc nhánh cây, là một trong những kiến trúc thay thế cho kiến trúc truyền thống. Kiến trúc fat-tree thực hiện kết nối giữa các switch interconnection (switch trục) và switch access (switch lá) để hỗ trợ hệ thống máy tính cluster hiệu suất cao. Để tạo mô hình mạng phẳng và dễ dàng mở rộng ở lớp 2, kiến trúc fat-tree sử dụng cấu trúc non-blocking, độ trễ thấp. Kiểu kiến trúc này thường được triển khai trong các trung tâm dữ liệu lớn.
Trong hình minh họa, switch interconnection kết nối trực tiếp với switch access thông qua dây trunk MTP 12/24 sợi quang và module chuyển đổi (24 sợi quang) hoặc adapter MTP (12 sợi quang). So với mô hình ba lớp truyền thống, kiến trúc fat-tree sử dụng ít switch aggregation và đường dự phòng hơn để hỗ trợ 40 GBase-SR giữa switch access và interconnection, nhờ đó giảm độ trễ và ít tiêu tốn điện năng hơn.
Hình 4.4: Kiến trúc fat-tree.
Các kiến trúc full-mesh, interconnected-mesh, switch tập trung và switch ảo là những kiến trúc hỗ trợ cho tiêu chuẩn ANSI/TIA-942-A-1. Cũng như fat-tree, những kiến trúc switch mới này giảm độ trễ tốt hơn và cung cấp băng thông cao hơn so với mô hình truyền thống, kể cả trên cổng non-blocking.
2.4.4.2.4. Kiến trúc tập trung.
Trong kiến trúc tập trung, server được kết nối với tất cả switch và dễ dàng quản lý từ một server bất kỳ. Dù vậy, số lượng cổng hạn chế có thể cản trở việc mở rộng kiến trúc này. Do đó, kiến trúc tập trung cũng chỉ được áp dụng trong các trung tâm dữ liệu nhỏ, tương tự như full-mesh.
48
Hình 4.5: Kiến trúc tập trung.
2.4.4.2.5. Kiến trúc Inter Connected-Mesh.
Tương tự kiến trúc full-mesh, kiến trúc interconnection-mesh có tính mở rộng cao hơn, giúp giảm chi phí và dễ dàng triển khai cho các doanh nghiệp đang phát triển.
Interconnection-mesh thường có từ 1 đến 3 switch interconnection (HDA hoặc EDA) và non-blocking tại mỗi nhóm.
Hình 4.6: Kiến trúc Inter Connected-Mesh.
2.4.4.2.6. Kiến trúc virtal-switch.
Kiến trúc virtual-switch xuất phát từ nguyên lý của kiến trúc tập trung, sử dụng nhiều switch kết nối với nhau tạo thành một switch ảo. Mỗi server được kết nối vào nhiều switch tạo đường dự phòng, nhưng cũng tạo ra độ trễ. Kiến trúc virtual-switch không hỗ trợ khả năng mở rộng tốt dù giữa các switch ảo triển khai kiến trúc fat-tree hoặc full-mesh.
49
Hình 4.7: Kiến trúc virtal-switch.
2.4.4.3. Các giải thuật hoán chuyển.
Việc chuyển tiếp khung từ nhánh mạng này sang nhánh mạng kia của switch có thể được thực hiện theo một trong 3 giải thuật hoán chuyển sau:
2.4.4.3.1. Giải thuật hoán chuyển lưu và chuyển tiếp (Store and Forward Switching).
Khi khung đến một cổng của switch, toàn bộ khung sẽ được đọc vào trong bộ nhớ đệm và được kiểm tra lỗi. Khung sẽ bị bỏ đi nếu như có lỗi. Nếu khung không lỗi, switch sẽ xác định địa chỉ máy nhận khung và dò tìm trong bảng địa chỉ để xác định cổng hướng đến máy nhận. Kế tiếp sẽ chuyển tiếp khung ra cổng tương ứng. Giải thuật này có thời gian trì hoãn lớn do phải thực hiện thao tác kiểm tra khung. Tuy nhiên nó cho phép giao tiếp giữa hai kênh truyền khác tốc độ.
2.4.4.3.2. Giải thuật xuyên cắt (Cut-through).
Khi khung đến một cổng của switch, nó chỉ đọc 6 bytes đầu tiên của khung (là địa chỉ MAC của máy nhận khung) vào bộ nhớ đệm. Kế tiếp nó sẽ tìm trong bảng địa chỉ để xác định cổng ra tương ứng với địa chỉ máy nhận và chuyển khung về hướng cổng này.
Giải thuật cut-through có thời gian trì hoãn ngắn bởi vì nó thực hiện việc hoán chuyển khung ngay sau khi xác định được cổng hướng đến máy nhận. Tuy nhiên nó chuyển tiếp luôn cả các khung bị lỗi đến máy nhận.
2.4.4.3.3. Hoán chuyển tương thích (Adaptive – Switching).
50
Giải thuật hoán chuyển tương thích nhằm tận dụng tối đa ưu điểm của hai giải thuật hoán chuyển Lưu và chuyển tiếp và giải thuật Xuyên cắt. Trong giải thuật này, người ta định nghĩa một ngưỡng lỗi cho phép. Đầu tiên, switch sẽ hoạt động theo giải thuật Xuyên cắt. Nếu tỉ lệ khung lỗi lớn hơn ngưỡng cho phép, switch sẽ chuyển sang chế độ hoạt động theo giải thuật Lưu và chuyển tiếp. Ngược lại khi tỷ lệ khung lỗi hạ xuống nhỏ hơn ngưỡng, switch lại chuyển về hoạt động theo giải thuật Xuyên cắt.
2.4.4.2.4. Thông lượng tổng.
Thông lượng tổng (Aggregate throughput) là một đại lượng dùng để đo hiệu suất của switch. Nó được định nghĩa là lượng dữ liệu chuyển qua switch trong một giây. Nó có thể được tính bằng tích giữa số nối kết tối đa đồng thời trong một giây nhân với băng thông của từng nối kết. Như vậy, thông lượng tổng của một switch có N cổng sử dụng, mỗi cổng có băng thông là B được tính theo công thức sau:
Aggregate throughput = (N div 2) * (B*2) = N*B
Ví dụ: Cho một mạng gồm 10 máy tính được nối lại với nhau bằng một switch có các cổng 10 Base-T. Khi đó, số nối kết tối đa đồng thời là 10/2. Mỗi cặp nối kết trong một giây có thể gởi và nhận dữ liệu với lưu lượng là 10Mbps*2 (do Full duplex). Như vậy thông lượng tổng sẽ là: 10/2*10*2 = 100 Mbps
2.4.4.2.5. Phân biệt các loại switch.
Dựa vào mục đích sử dụng, người ta có thể chia switch thành những loại sau:
a. Bộ hoán chuyền nhóm làm việc (Workgroup Switch)
Là loại switch được thiết kế nhằm để nối trực tiếp các máy tính lại với nhau hình thành một mạng ngang hàng (workgroup) . Như vậy, tương ứng với một cổng của switch chỉ có một địa chỉ máy tính trong bảng địa chỉ. Chính vì thế, loại này không cần thiết phải có bộ nhớ lớn cũng như tốc độ xử lý cao. Giá thành workgroup switch thấp hơn các loại còn lại.
51
b. Bộ hoán chuyến nhánh mạng (Segment Switch).
Mục đích thiết kế của Segment switch là nối các Hub hay workgroup switch lại với nhau, hình thành một liên mạng ở tầng hai. Tương ứng với mỗi cổng trong trường hợp này sẽ có nhiều địa chỉ máy tính, vì thế bộ nhớ cần thiết phải đủ lớn. Tốc độ xử lý đòi hỏi phải cao vì lượng thông tin cần xử lý tại switch lớn.
Hình 4.9: Segment switch.
c. Bộ hoán chuyển xương sống (Backbone Switch).
Mục đích thiết kế của Backbone switch là để nối kết các Segment switch lại với nhau. Trong trường hợp này, bộ nhớ và tốc độ xử lý của switch phải rất lớn để đủ chứa địa chỉ cho tất cả các máy tính trong toàn liên mạng cũng như hoán chuyển kịp thời dữ liệu giữa các nhánh.
Hình 4.8: Workgroup switch.
52
Hình 4.10: Backbone switch.
d. Bộ hoán chuyển đối xứng (Symetric Switch).
Symetric switch là loại switch mà tất cả các cổng của nó đều có cùng tốc độ. Thông thường workgroup switch thuộc loại này. Nhu cầu băng thông giữa các máy tính là gần bằng nhau.
Hình 4.11: Symetric switch.
e. Bộ hoán chuyển bất đối xứng (Asymetric Switch).
Asymetric switch là loại switch có một hoặc hai cổng có tốc độ cao hơn so với các cổng còn lại của nó. Thông thường các cổng này được thiết kế để dành cho các máy chủ hay là cổng để nối lên một switch ở mức cao hơn.
53
Hình 4.12: Asymetric switch.